潘昊馳

針對近年來兒童在校車內(nèi)和校車四周引發(fā)生命危險(xiǎn)的事件頻繁發(fā)生，設(shè)計(jì)了一種校車兒童安全監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)。系統(tǒng)采用Arduino開發(fā)板作為主控單元，在校車車廂內(nèi)安裝溫度傳感器，在座位上安裝紅外避障傳感器，在校車四周安裝超聲波傳感器，通過主控單元檢測車輛啟動、熄火、關(guān)閉車門等狀態(tài)信息和各傳感器輸出信號，監(jiān)測校車周圍及車廂內(nèi)的兒童安全，及時通過聲光、手機(jī)APP報(bào)警及強(qiáng)制落窗通風(fēng)。設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的硬件與軟件，搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，驗(yàn)證了方案的正確性，對校車車載安全伴侶的設(shè)計(jì)提供了一種新思路。

【關(guān)鍵詞】Arduino校車 兒童安全 監(jiān)測 報(bào)警

1 引言

近年來兒童在校車內(nèi)和校車四周引發(fā)生命危險(xiǎn)的案例頻繁發(fā)生，一種狀況為：兒童被遺忘在校車內(nèi)或被家長留在轎車內(nèi)，因密閉空間溫度持續(xù)升高導(dǎo)致生命危險(xiǎn)的事故發(fā)生。另一種狀況為：因校車車身又長又高，兒童身材矮小，當(dāng)處于校車四周近距離時，常常處于司機(jī)視野的死角范圍，無法看到孩子而導(dǎo)致危險(xiǎn)發(fā)生。而目前現(xiàn)有的校車安全相關(guān)設(shè)計(jì)主要聚焦于車體本身內(nèi)外結(jié)構(gòu)的加固防撞、氣囊設(shè)計(jì)、超載酒駕等校車安全監(jiān)控及校車安全管理平臺設(shè)計(jì)等方面，對校車啟動后兒童在車體四周情況以及校車停止熄火車門閉鎖司機(jī)準(zhǔn)備離開以及離開后校車內(nèi)尚留有兒童情況的檢測、報(bào)警、和危險(xiǎn)防護(hù)均沒有相應(yīng)的監(jiān)測防護(hù)系統(tǒng)配備。同時，隨著Arduino技術(shù)的廣泛應(yīng)用，為校車車載兒童安全伴侶的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)提供了新的主控方法。

2 組成及原理

如圖1所示，系統(tǒng)由Arduino主控板、傳感器擴(kuò)展板、與擴(kuò)展板連接的紅外傳感器、溫度傳感器、超聲波傳感器等模塊和器件組成，其監(jiān)測功能分為車內(nèi)和車外兩部分。

車內(nèi)由溫度傳感器、紅外避障傳感器及車窗控制機(jī)構(gòu)等組成，紅外避障傳感器安裝于每個座位的靠背上，或每個座位對應(yīng)車廂頂部。車內(nèi)的自動檢測報(bào)警工作原理如下：當(dāng)司機(jī)啟動校車時，紅外避障傳感器及溫度傳感器失效，當(dāng)司機(jī)關(guān)閉發(fā)動機(jī)并開啟校車車門后，紅外避障傳感器及溫度傳感器開啟，當(dāng)司機(jī)關(guān)門并離開車后，若紅外避障傳感器檢測到車廂內(nèi)有兒童，校車通過藍(lán)牙將警告提示音發(fā)送至司機(jī)手機(jī)APP上，提醒司機(jī)車內(nèi)有滯留兒童，同時鳴笛及閃爍車燈吸引其注意。若司機(jī)已遠(yuǎn)離校車且藍(lán)牙已斷開連接，當(dāng)紅外避障傳感器檢測到車內(nèi)有人時，溫度傳感器開始工作并動態(tài)監(jiān)測密閉車廂內(nèi)溫度的同時閃爍車燈吸引路人注意，當(dāng)車廂內(nèi)監(jiān)測溫度達(dá)到危機(jī)兒童生命的臨界溫度時，校車將采用強(qiáng)制性保護(hù)措施，即強(qiáng)制落下一半車窗并開啟車內(nèi)風(fēng)扇通風(fēng)降溫，同時鳴笛閃爍車燈吸引周圍人群解救。

車外沿車身四周安裝有多個超聲波傳感器。其工作原理如下：當(dāng)車輛啟動時汽車周圍的超聲波傳感器對周圍環(huán)境進(jìn)行檢測，由于超聲波傳感器檢測范圍可以覆蓋如圖所示幾乎校車周圍所有環(huán)境，因此當(dāng)校車周圍有兒童且小于臨界安全范圍時，則會在駕駛面板上及聲光報(bào)警提示司機(jī)，從而達(dá)到保護(hù)兒童的目的。

3 基于Arduino UNO開發(fā)板的硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用完全兼容Arduino UNO R3版本的DFRduino UNO R3開發(fā)板作為主控單元，它采用ATmega16U2作為微處理器，工作電壓為5V，可提供5V DC輸出和3.3V DC輸出電壓，時鐘頻率為16 MHz，有14個數(shù)字I/O端口，6個模擬輸入端口。DFRduino UNO R3開發(fā)板的功能模塊及引腳如圖2所示。

選擇DFRobotIO傳感器擴(kuò)展板與DFRduino UNO R3開發(fā)板直插連接，可把Arduino的端口擴(kuò)展成3P接口，直插3P傳感器模塊，同樣具有14個數(shù)字口（6個PWM口），6個模擬口；中部可直插Xbee封裝的藍(lán)牙、WIFI和Xbee通信模塊；旁邊設(shè)置了普通藍(lán)牙模塊、APC和SD卡的擴(kuò)展接口。

校車兒童安全監(jiān)測報(bào)警實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)如圖4所示。擴(kuò)展板與主控板之間插針直接連接，數(shù)字引腳2連接自鎖開關(guān)，模擬汽車的啟動或熄火狀態(tài)；數(shù)字引腳4連接LED燈，模擬報(bào)警燈；數(shù)字引腳6連接蜂鳴器，模擬揚(yáng)聲器警報(bào)；數(shù)字引腳7連接直流電機(jī)，模擬車窗和電扇等設(shè)施。

數(shù)字引腳8連接SEN0019型集發(fā)射與接收于一體的紅外避障傳感器，其檢測距離范圍可以通過傳感器背面的電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)，可調(diào)范圍為3-80cm，系統(tǒng)根據(jù)有無兒童在座位上時探頭前方障礙物的距離設(shè)置最大檢測距離，當(dāng)探頭前方有效距離范圍內(nèi)無兒童時輸出高電平，有兒童時輸出低電平。

數(shù)字引腳9、10、11、12分別連接兩個超聲波測距傳感器JSN-SR0T4-2.0超聲波測距模塊，模塊包括收發(fā)一體的超聲波傳感器與控制電路，可提供20-600cm的非接觸式距離感測功能；檢測時，模塊自動發(fā)送8個40KHz 的方波，信號返回時，通過IO口ECHO輸出一個高電平，高電平持續(xù)的時間T就是超聲波從發(fā)射到返回的時間。程序中將高電平持續(xù)時間T直接換算成為測試距離L=170T（m），并設(shè)置監(jiān)控報(bào)警門檻距離，當(dāng)校車啟動，監(jiān)控報(bào)警門檻距離范圍內(nèi)有兒童時，因其聲波傳感器探測到障礙物的距離比所設(shè)置的監(jiān)控報(bào)警距離近，而進(jìn)行報(bào)警。

模擬口引腳0連接LM35半導(dǎo)體溫度傳感器，LM35半導(dǎo)體溫度傳感器是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的線性溫度傳感器。其測溫范圍是-40℃到150℃，靈敏度為10mV/℃，輸出電壓與溫度成正比。

中間部分的“RXD、TXD、DTR、5V、GND”連接藍(lán)牙模塊，用來與司機(jī)手機(jī)通信報(bào)警提示；擴(kuò)展板右上角“SCL、SDA、5V、GND”連接液晶顯示屏，用來顯示實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的條件及結(jié)果。

4 基于Arduino UNO的軟件設(shè)計(jì)

控制Arduino UNO主控單元的軟件在Arduino IDE中編譯實(shí)現(xiàn)，主控控制流程如圖5所示，主要控制邏輯如下：

（1）系統(tǒng)采集車輛狀態(tài)檢測模塊的狀態(tài)信息；

（2）若司機(jī)啟動校車，則啟動超聲波傳感器檢測車輛四周是否有障礙物，若無則轉(zhuǎn)步驟（7）；endprint

（3）若車輛周圍有障礙物，則聲光報(bào)警提醒司機(jī)下車檢查，轉(zhuǎn)步驟（7）；

（4）若校車是熄火狀態(tài)并且車輛狀態(tài)檢測模塊檢測到車門閉鎖，則啟動紅外避障傳感器采集信息，若未采集到車座上有人，則轉(zhuǎn)步驟（7）；

（5）若車座上有人，則藍(lán)牙模塊通知司機(jī)手機(jī)，啟動APP發(fā)出報(bào)警（聲音或震動）；

（6）若司機(jī)已經(jīng)遠(yuǎn)離校車，當(dāng)車內(nèi)溫度傳感器檢測到溫度高于設(shè)定閾值，則發(fā)出聲光報(bào)警（用于提醒路人給予施救），并啟動落下車窗（通風(fēng)）；

（7）液晶顯示屏顯示狀態(tài)信息，程序轉(zhuǎn)步驟（1）。

若校車處于熄火且車門閉鎖狀態(tài)時，啟動紅外避障傳感器采集信息，若檢測到車座上有兒童，則主控單元控制藍(lán)牙模塊通知司機(jī)（司機(jī)熄火下車鎖閉車門尚未遠(yuǎn)離時）手機(jī)。通過藍(lán)牙模塊啟動司機(jī)手機(jī)APP進(jìn)行聲音報(bào)警控制的軟件流程如圖6所示，手機(jī)APP在MIT APP INVENTER環(huán)境中在線生成。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物照片如圖7所示。因聲音與燈光等報(bào)警方式均難以在文中呈現(xiàn)，采用液晶屏來清晰顯示各種監(jiān)測條件與報(bào)警結(jié)果。屏上“Power：ON”和“Power：OFF”分別顯示校車的啟動與關(guān)閉，“T：x”顯示車內(nèi)溫度，由紅外避障傳感器感知有兒童顯示為“In：Someone”，反之則為“in：NoOne”，由超聲波傳感器感知車外有兒童時顯示為“Out：Something”，反之則為“Out：Nothing”，遭遇情況發(fā)出警報(bào)“Alarm：ON”及不發(fā)警報(bào)“Alarm：OFF”，實(shí)現(xiàn)開窗顯示“W：O”，閉窗顯示“W：C”。

實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果使用OLED-2864顯示器件，如圖8所示。其中，（a）圖說明當(dāng)校車啟動，超聲波傳感器未探測到兒童，不報(bào)警；（b）圖說明當(dāng)校車啟動，超聲波傳感器探測到兒童，報(bào)警；（c）圖說明當(dāng)校車關(guān)閉（熄火并車門關(guān)閉），紅外避障傳感器未探測到兒童，不報(bào)警；（d）圖說明當(dāng)校車關(guān)閉（熄火并車門關(guān)閉），紅外避障傳感器探測到兒童，報(bào)警并啟動司機(jī)手機(jī)APP；（e）圖說明當(dāng)校車關(guān)閉（熄火并車門關(guān)閉），紅外避障傳感器探測到兒童，溫度升高到臨界值（如30℃），報(bào)警并打開窗戶。

6 結(jié)論

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)模擬校車熄火車門關(guān)閉后車內(nèi)有兒童及溫度升高時，或校車啟動四周一定距離范圍內(nèi)有兒童時，該系統(tǒng)能準(zhǔn)確識別并采取有效措施，能夠可靠起到監(jiān)測、警示和保護(hù)兒童的作用。

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作者單位

太原市第五中學(xué)校 山西省太原市 030001endprint